CN111740670B - 一种无电解电容永磁同步电机驱动系统防过压控制方法 - Google Patents

一种无电解电容永磁同步电机驱动系统防过压控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种无电解电容永磁同步电机驱动系统防过压控制方法，属于电机控制技术领域。所述防过压控制方法的过程包括：步骤一、检测母线电压UDC，将1号母线电压限制值UDC‑l1减去母线电压UDC后，经过电压控制器和定子电流限幅单元送至交轴电流限幅单元，作为交轴电流的限幅值；将2号母线电压限制值UDC‑l2减去母线电压UDC后经过直轴电流发生器，加入直轴电流的给定；步骤二、将观测转速
Figure DDA0002083812580000011
输入参数自调节单元后，将产生的比例系数kp和积分时间常数τn送至电压控制器，利用电压控制器即可完成防过压控制。

Description

一种无电解电容永磁同步电机驱动系统防过压控制方法
技术领域
本发明涉及一种无电解电容永磁同步电机驱动系统防过压控制方法，属于电机控制技术领域。
背景技术
永磁同步电机因其结构简单、功率密度大、调试性能好等优点，在工业和家电领域得到了广泛的应用。为了提升驱动系统可靠性和寿命，采用小容值薄膜电容替代直流侧大电解电容具有重要的研究价值。近年来，采用小容值薄膜电容的三相输入不控整流电机驱动器受到越来越多的关注。尽管无电解电容电机驱动器有诸多优点，但是它也面临着很多问题。例如，在电机再生制动过程中降速、减载，驱动器直流侧极易产生过压现象。
目前，无电解电容电机驱动器主要应用于暖通空调Heating Ventilation andAir Conditioning,HVAC系统。通常，为了防止直流侧过压，电机转速下降斜率需要被严格限制，且不允许突减负载。常用的防过压方案是加入硬件制动单元，例如直流侧加入开关器件控制的制动电阻。该方案可靠性较高，且易于实现，但是增加了系统成本，降低了驱动系统功率密度。因此，为了扩展无电解电容电机驱动器的应用领域，通过控制算法的方式实现母线电压防过压和高电机动态性能的控制策略具有重要意义。
发明内容
本发明为了解决现有技术中防过压方案增加系统成本，降低了驱动系统功率密度的问题，提出了一种无电解电容永磁同步电机驱动系统防过压控制方法。本发明主要应用在无电解电容永磁同步电机驱动系统中，当电机驱动系统母线侧电解电容换成小容值薄膜电容后，在电机再生制动过程中，母线端极易发生过压的情况。为此本发明提出一种无电解电容永磁同步电机驱动系统防过压控制策略，在实现防止母线端过压的同时保证较高的电机动态性能；所述无电解电容永磁同步电机驱动系统防过压控制方法用于防止母线端过压且保证较高的电机动态性能。所采取的技术方案如下：
一种无电解电容永磁同步电机驱动系统防过压控制方法，所述防过压控制方法的过程包括：
步骤一、检测母线电压UDC，将1号母线电压限制值UDC-l1减去母线电压UDC后，经过电压控制器106和定子电流限幅单元105送至交轴电流限幅单元103，作为交轴电流的限幅值；将2号母线电压限制值UDC-l2减去母线电压UDC后经过直轴电流发生器107，加入直轴电流的给定；
步骤二、将观测转速
Figure BDA0002083812560000011
输入参数自调节单元104后，将产生的比例系数kp和积分时间常数τn送至电压控制器106，利用电压控制器106即可完成防过压控制。
进一步地，步骤一的具体过程为：
第一步、检测二极管整流桥113输出的母线电压UDC；
第二步、将1号母线电压限制值UDC-l1减去母线电压UDC，经过电压控制器106和定子电流限幅单元105后输出交轴电流最大值iq-max；然后，将所述交轴电流最大值iq-max作为交轴电流限幅单元103的限幅值，即正值限制为iq-max，负值限制为-iq-max；
第三步、将2号母线电压限制值UDC-l2减去母线电压UDC，经过直轴电流发生器107后产生直轴电流增量Δid *，与MTPA单元102下端输出叠加后产生直轴电流指令id *；其中，直轴电流发生器107为阶跃给定形式，当其输入为正时其输出为0，当其输入为负时其输出为定子电流最大值ismax。
进一步地，步骤二的具体过程包括：
第一步：通过转速位置观测器117观测电机观测转速
Figure BDA0002083812560000021
并将所述观测转速
Figure BDA0002083812560000022
送入参数自调节单元104，作为参数自调节的信息之一；
第二步：将观测转速
Figure BDA0002083812560000023
进行限幅后获得控制转速ωec，限幅值根据实际电机转速范围进行选择；
第三步：利用公式(1)和公式(2)计算获得比例系数kp和积分时间常数τn，并通过比例系数kp和积分时间常数τn建立电压控制器106；
Figure BDA0002083812560000024
Figure BDA0002083812560000025
其中，ωec为控制转速；ωc为截至频率；
Figure BDA0002083812560000026
为相位裕度；Tsω为电流环时间常数；
Figure BDA0002083812560000027
为转子磁链；CDC为母线电容容值；UDC0为母线电压稳态值；利用所述电压控制器106即可实现无电解电容永磁同步电机驱动系统的防过压控制。
进一步地，所述观测转速
Figure BDA0002083812560000028
限定在0.2-0.9倍额定转速。
本发明有益效果：
本发明提出的一种有效的无电解电容永磁同步电机驱动系统防过压控制方法，能够保证较高的电机动态性能；所提方法不依赖电机参数，因此不受电机运行状态的影响；此外本方案可以用于无位置传感器控制。
附图说明
图1为控制系统整体框图，其中ωe *为转速指令，
Figure BDA0002083812560000031
为观测转速，isref为电流指令，id *为直轴电流指令，iq *为交轴电流指令，ia为实际A相电流，ib为实际B相电流，ic为实际C相电流，iα为实际α轴电流，iβ为实际β轴电流，id为实际直轴电流，iq为实际交轴电流，Δid为直轴电流增量，，uq *为交轴电压指令，uα *为α轴电压指令，uβ *为β轴电压指令，
Figure BDA0002083812560000032
为观测角度，UDC-l1为1号母线电压限制值，UDC-l2为2号母线电压限制值，kp为比例系数，τn为积分时间常数，UDC为母线电压，iq-max为交轴电流最大值，ismax为定子电流最大值，ωec为控制转速，ωc为截至频率、
Figure BDA0002083812560000033
为相位裕度、Tsω为电流环时间常数、
Figure BDA0002083812560000034
为转子磁链、CDC为母线电容容值、UDC0为母线电压稳态值；101，速度调节器；102，MTPA；103，交轴电流限幅单元；104，参数自调节单元；105，定子电流限幅单元；106，电压控制器；107，直轴电流发生器；108，电流调节器；109，Park反变换；110，PWM；111，三相逆变器；112，PMSM；113，二极管整流桥；114，交流源；115，Clark；116，Park变换；117，转速位置观测器；
图2为电机转速从45Hz降至5Hz且不加负载时的波形图；
图3为电机突卸100％额定负载时的波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
一种无电解电容永磁同步电机驱动系统防过压控制方法，所述防过压控制方法用于防止母线端过压和保证较高的电机动态性能，本实施例中，图1为无电解电容电机驱动系统防过压控制系统框图，其中，所述防过压控制系统包括无位置传感器矢量控制部分和双重防过压控制器部分，具体的：
所述无位置传感器矢量控制部分，内环为电流环，外环为速度环，转速的参考值与反馈值之差通过速度调节器进行调节，直轴电流的参考值与反馈值之差值通过电流调节器进行调节，交轴电流的参考值与反馈值之差值通过电流调节器进行调节。电机的角度和位置由位置、速度观测器获得。电机定子三相电流通过Clark和Park坐标变换得到两相旋转坐标系下的d、q轴电流。采用SVPWM控制三相逆变器，最终实现永磁同步电机控制。
所述双重防过压控制器部分，将1号母线电压限制值UDC-l1减去母线电压UDC经过电压控制器106和定子电流限幅单元105后输出交轴电流最大值iq-max，进而将交轴电流最大值iq-max作为交轴电流限幅单元103的限幅值，即正值限制为iq-max，负值限制为-iq-max；将2号母线电压限制值UDC-l2减去母线电压UDC，经过直轴电流发生器107后产生直轴电流增量Δid *，与MTPA单元102下端输出叠加后产生直轴电流指令id *。其中直轴电流发生器107为阶跃给定形式，当其输入为正时其输出为0，当其输入为负时其输出为定子电流最大值ismax。参数自调节部分，利用控制转速ωec、截至频率ωc、相位裕度
Figure BDA0002083812560000041
电流环时间常数Tsω、转子磁链
Figure BDA0002083812560000042
母线电容容值CDC、母线电压稳态值UDC0经过公式1和公式2计算获得比例系数kp和积分时间常数τn，用于电压控制器106的设计。
基于所述所述防过压控制系统，一种无电解电容永磁同步电机驱动系统防过压控制方法的具体包括以下步骤：
步骤一：检测母线电压UDC，将1号母线电压限制值UDC-l1减去母线电压UDC经过电压控制器106和定子电流限幅单元105后，送至交轴电流限幅单元103，作为交轴电流的限幅值；将2号母线电压限制值UDC-l2减去母线电压UDC经过直轴电流发生器107，加入直轴电流的给定；
步骤二：将观测转速
Figure BDA0002083812560000043
输入参数自调节单元104后，将产生的比例系数kp和积分时间常数τn送至电压控制器106
其中，所述步骤一具体过程为：
第一步：检测二极管整流桥113输出的母线电压UDC；
第二步：将1号母线电压限制值UDC-l1减去母线电压UDC经过电压控制器106和定子电流限幅单元105后输出交轴电流最大值iq-max，进而将交轴电流最大值iq-max作为交轴电流限幅单元103的限幅值，即正值限制为iq-max，负值限制为-iq-max；
第三步：将2号母线电压限制值UDC-l2减去母线电压UDC，经过直轴电流发生器107后产生直轴电流增量Δid *，与MTPA单元102下端输出叠加后产生直轴电流指令id *。其中直轴电流发生器107为阶跃给定形式，当其输入为正时其输出为0，当其输入为负时其输出为定子电流最大值ismax。
所述步骤二具体过程为：
第一步：通过转速位置观测器117观测电机观测转速
Figure BDA0002083812560000044
并将其送入参数自调节单元104；
第二步：将观测转速
Figure BDA0002083812560000045
进行限幅后获得控制转速ωec，限幅值可根据实际电机转速范围进行选择，本实施例中将观测转速
Figure BDA0002083812560000051
限定在0.2-0.9倍额定转速。
第三步：利用控制转速ωec、截至频率ωc、相位裕度
Figure BDA0002083812560000052
电流环时间常数Tsω、转子磁链
Figure BDA0002083812560000053
母线电容容值CDC、母线电压稳态值UDC0经过公式1和公式2计算获得比例系数kp和积分时间常数τn，用于电压控制器106的设计。
Figure BDA0002083812560000054
Figure BDA0002083812560000055
本实施例所述一种无电解电容永磁同步电机驱动系统防过压控制方法的有效性验证过程如下：
在无电解电容永磁同步电机驱动系统平台上验证本发明提出的防过压控制方法的有效性。实验平台的各项参数设置为：电网电压380V，电网频率50Hz，直流母线电容为薄膜电容，容值为50μF，直轴电感35mH，交轴电感54mH，转子磁链0.86Wb，转子极对数为3，额定功率为2.2kW，额定转速为1000r/min，定子电阻为2.75Ω。实验中所有的控制算法都是在ARM STM32F103中完成的。开关和电流电压采样值更新频率均设为6kHz。UDC-l1和UDC-l2分别设定为640V和615V。
图2表明当电机转速指令从45Hz突降到5Hz时，直流侧电压被控制在645V，转速调节时间为0.34s。
图3表明当电机突卸100％额定负载时，母线电压被控制在645V，转速调节时间为0.35s。
本发明提出的无电解电容永磁同步电机驱动系统防过压控制方法，在电机再生制动过程中，母线电压被有效控制，且保证了电机动态性能。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (3)

1.一种无电解电容永磁同步电机驱动系统的防过压控制方法，其特征在于，所述防过压控制方法的过程包括：
步骤一、检测母线电压UDC，将1号母线电压限制值UDC-l1减去母线电压UDC后，经过电压控制器(106)和定子电流限幅单元(105)送至交轴电流限幅单元(103)，作为交轴电流的限幅值；将2号母线电压限制值UDC-l2减去母线电压UDC后经过直轴电流发生器(107)，加入直轴电流的给定；
步骤二、将观测转速
Figure FDA0003272961130000011
输入参数自调节单元(104)后，将产生的比例系数kp和积分时间常数τn送至电压控制器(106)，利用电压控制器(106)即可完成防过压控制；
步骤二的具体过程包括：
第一步：通过转速位置观测器(117)观测电机观测转速
Figure FDA0003272961130000012
并将所述观测转速
Figure FDA0003272961130000013
送入参数自调节单元(104)，作为参数自调节的信息之一；
第二步：将观测转速
Figure FDA0003272961130000014
进行限幅后获得控制转速ωec；
第三步：利用公式(1)和公式(2)计算获得比例系数kp和积分时间常数τn，并通过比例系数kp和积分时间常数τn建立电压控制器(106)；
Figure FDA0003272961130000015
Figure FDA0003272961130000016
其中，ωec为控制转速；ωc为截止频率；
Figure FDA0003272961130000017
为相位裕度；Tsω为电流环时间常数；
Figure FDA0003272961130000018
为转子磁链；CDC为母线电容容值；UDC0为母线电压稳态值；利用所述电压控制器(106)即可实现无电解电容永磁同步电机驱动系统的防过压控制。
2.根据权利要求1所述防过压控制方法，其特征在于，步骤一的具体过程为：
第一步、检测二极管整流桥(113)输出的母线电压UDC；
第二步、将1号母线电压限制值UDC-l1减去母线电压UDC，经过电压控制器(106)和定子电流限幅单元(105)后输出交轴电流最大值iq-max；然后，将所述交轴电流最大值iq-max作为交轴电流限幅单元(103)的限幅值，即正值限制为iq-max，负值限制为-iq-max；
第三步、将2号母线电压限制值UDC-l2减去母线电压UDC，经过直轴电流发生器(107)后产生直轴电流增量Δid *，与MTPA单元(102)下端输出叠加后产生直轴电流指令id *；其中，直轴电流发生器(107)为阶跃给定形式，当其输入为正时其输出为0，当其输入为负时其输出为定子电流最大值ismax。
3.根据权利要求1所述防过压控制方法，其特征在于，所述观测转速
Figure FDA0003272961130000021
限定在0.2-0.9倍额定转速。
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